城市轨道交通扣件产品力学性能检测方法探讨

许光辉 张汉平 黄 浩 杨秀龙

(1.广州计量检测技术研究院，广东 广州 510663； 2.华南理工大学，广东 广州 510640)



城市轨道交通扣件产品力学性能检测方法探讨

许光辉1,2张汉平2黄 浩1杨秀龙1

(1.广州计量检测技术研究院，广东 广州 510663； 2.华南理工大学，广东 广州 510640)

从扣件组装疲劳试验、弹条扣压力检测、扣件纵向阻力测量等方面，介绍了城市轨道交通扣件产品的力学性能检测方法，并对已按标准要求制作的仪器设备进行了检测，验证了检测方法的可靠性。

轨道交通，扣件，力学性能，检测方法

1 概述

随着经济快速增长，我国城市人口急剧扩大，伴随而来的城市内部交通堵塞问题日益严重。城市轨道交通以其准点、环保、节能和运载量大等优势，已成为市民出行的首选交通工具。“十二五”期间，城市轨道交通行业已经被国家作为城市基础设施建设的重点投资领域，在深化一线城市，如北京、上海、广州和深圳等轨道交通基础，完善这些城市运营网络的同时，将大力发展省会城市和其他符合轨道交通建设的城市，使这些城市形成基本的轨道交通框架。我国城市轨道交通建设正面临巨大发展的历史机遇。

2 国内外研究现状

轨道工程是城市轨道交通中一个系统庞大并且异常复杂的综合工程，由钢轨、轨枕、扣件、道床等部分组成，任何一个轨道零件强度和结构的变化都会影响其他零部件的工作状态。这些力学性质绝然不同的工程材料部件，在日常运行过程中，承受着剧烈动态作用力，因此它们的工作状态是紧密关联的。轨道工程在工程设计、施工和质量验收等各个环节都参照其他行业标准，缺少适合城市轨道交通行业特有运行状况的专有检测方法和评价标准。特别是轨道工程中的扣件产品，世界各国在轨道工程领域参照不同的测试标准及检测设备，主要以欧洲标准和英国标准为主[1，2]。随着我国城市轨道行业的发展，新的轨道扣件产品层出不穷，建立健全我国城市轨道工程扣件产品的检测方法标准和评价标准体系显得非常重要。针对目前我国城市轨道交通中轨道工程扣件产品行业缺少检测方法标准和方法难以统一的情况，结合作者在日常工作中的实际情况，本文将在这个领域做一些探讨工作。在标准要求的前提下，新增了相应的检测方法以反映被检产品的力学性能。

3 检测项目

根据扣件产品日常运行状况下的受力特性，本文将以下列几个项目的力学性能检测方法进行研究：1)检测扣件疲劳前后的动静刚度以及动静比；2)检测扣件300万次组装疲劳性能和保持轨距性能；3)检测扣件疲劳前后的弹条扣压力；4)检测扣件疲劳前后的纵向阻力。

3.1 检测扣件疲劳前后的动静刚度以及动静比[3]

3.1.1 静刚度试验方法

首先，试验前将所有试验部件和设备在(20±5)℃的环境中至少静置24 h。其次，将试样(即单个扣件系统)平置在试验机上，对试样以2 kN/s的速度垂直加载到100 kN进行预压，静停1 min后卸载，反复预压三次。然后，以0.5 kN/s的速度垂向加载进行静刚度测试。当荷载加至F1(5 kN)和F2(55 kN)时各停留1 min，并分别记录钢轨的位移D1Si，D2Si。如此反复试验三次，计算三次D1Si，D2Si的平均值，记为D1S，D2S。用下述公式计算静刚度[7]：

扣件静刚度测试组装如图1所示。

3.1.2 扣件动刚度试验方法

首先，将所有试验部件和设备在(20±5)℃的环境中至少静置24 h。其次，按照实际使用工况，对单个扣件进行组装，组成扣件系统。将试样(即单个扣件系统)平置在试验机上，先以2 kN/s的速度垂直加载到100 kN对试样进行预压，静停1 min后卸载，反复预压三次。最后，对试样施加5 kN～55 kN的周期荷载，加载频率为4 Hz，进行动刚度测试。荷载循环1 000次，在最后的100次荷载循环中，记录10个循环的实际施加荷载F1ai，F2ai和加载钢轨的位移D1i，D2i。如此反复测试三次，取平均值。以在实际载荷5 kN和55 kN所对应的位移值计算扣件组装的动刚度。扣件动刚度测试组装如图1所示。

3.2 扣件组装疲劳试验方法[4]

疲劳试验在液压脉动试验机上进行，试验荷载参数：Pv/cosα=60 kN，L/V=0.5，α=26°，X=15 mm，加载频率4 Hz。载荷循环300万次[1]。按实际使用工况，装配试验系统，先对加力架施加动载1 000次，卸载并重新紧固锚固螺栓和弹条，而后正式开始试验。测试过程中，所有螺栓及弹条不得重新定位及紧固。在载荷循环为1 000次、100万次、200万次和300万次时分别测定轨头和轨底的动态横移量，钢轨的动态下沉量，检测疲劳试验前后扣件的轨距扩大量，并检查扣件系统是否损坏。扣件疲劳试验安装如图2所示。

3.3 扣件弹条扣压力试验方法[5]

使用弹条将钢轨固定在扣件上面，在钢轨与扣件之间加上轨下垫板。将扣件固定在扣压力试验机平台上，钢轨头与工装连接。对钢轨施加逐渐增大的荷载P，期间应保持钢轨底面与承轨面保持平行，直到轨下垫板刚刚能被抽出。抽出垫板并卸载到千分表的平均读数为0，记录P值，继续卸载到约0.9P。然后以10 kN/min的加载速率加载，直到荷载为1.1P，同时记录位移值d。从荷载—位移曲线上读取d=0时的荷载P值[1]，该值即为扣压力。重复两次实验，取平均值。弹条扣压力试验安装如图3所示。

3.4 扣件纵向阻力试验方法[5,6]

该试验在纵向阻力试验机上进行。通过扣件将钢轨扣在承轨槽内，钢轨表面无脱落锈迹，就位后用扭矩扳手按规定扭矩紧固螺栓，使弹条中部前段下颚与绝缘轨距块接触。沿钢轨纵向在一端加力，在另一端用百分表测钢轨的纵向位移，从而得到纵向阻力与位移的关系[1]。试验组装如图4所示。

4 试验结果[6]

根据上述力学性能检测方法，笔者结合日常工作需要，制备多套专用的试验仪器和工装夹具，同时选取一种典型的城市轨道交通工程扣件，对方法的可行性进行验证。

4.1 扣件动静刚度及动静比结果

1)扣件动静刚度。

a.疲劳试验前扣件静刚度测试结果。

按照3.1试验方法及流程，测得疲劳试验前A型扣件静刚度结果如表1，表2所示。

表1 疲劳试验前A型扣件压缩变形数据 mm

表2 疲劳试验前A型扣件静刚度数据

b.疲劳试验后A型扣件静刚度测试结果。

按照3.1试验方法及流程，测得疲劳试验后A型扣件静刚度结果如表3，表4所示。

表3 疲劳试验后A型扣件压缩变形数据 mm

表4 疲劳试验后A型扣件静刚度数据

2)疲劳试验前后A型扣件静刚度变化率。

扣件1和扣件2疲劳试验前后静刚度测试对比结果如表5所示。

表5 疲劳试验前后的静刚度变化率

如表5所示，扣件1疲劳试验前的静刚度为19.8 kN/mm，疲劳试验后的静刚度为19.9 kN/mm，疲劳试验后静刚度增大0.5%；扣件2疲劳试验前的静刚度为19.7 kN/mm，疲劳试验后的静刚度为20.5 kN/mm，疲劳试验后静刚度增大4.1%。

3)A型扣件动刚度测试结果。

a.疲劳试验前A型扣件动刚度测试结果。

按照3.1试验方法及流程，测得疲劳试验前A型扣件动刚度的结果如表6所示。

表6 疲劳试验前A型扣件动刚度数据 kN/mm

b.疲劳试验后A型扣件动刚度测试结果。

按照3.1试验方法及流程，测得疲劳试验后A型扣件动刚度的结果如表7所示。

表7 疲劳试验后A型扣件动刚度数据 kN/mm

如表6,表7所示，扣件1疲劳试验前的动刚度为26.3 kN/mm，疲劳试验后的动刚度为26.4 kN/mm;扣件2疲劳试验前的动刚度为25.9 kN/mm，疲劳试验后的动刚度为26.8 kN/mm。

由测试结果可以得到A型扣件疲劳前后的动静比如表8所示。

表8 A型扣件疲劳前后动静比

4.2 疲劳试验后A型扣件动态变形测试结果

按照3.3试验方法要求，A型扣件动态变形测试结果如表9所示，疲劳前后的永久变形量如表10所示。

表9 A型扣件动态变形测试结果 mm

表10 A型扣件永久变形测试结果 mm

4.3 疲劳试验前后A型扣件弹条扣压力测试结果

按照3.3的试验方法要求，测得A型扣件疲劳前后的弹条扣压力值见表11。

如表11所示，扣件1疲劳试验前的弹条扣压力为17.3 kN，疲劳试验后的弹条扣压力为17.1 kN，疲劳试验后弹条扣压力减小1.2%；扣件2疲劳试验前的弹条扣压力为17.3 kN，疲劳试验后的弹条扣压力为17.2 kN，疲劳试验后的弹条扣压力减小0.9%。

表11 疲劳试验前后A型扣件弹条扣压力测试结果

4.4 疲劳试验前后A型扣件纵向阻力测试结果

按照3.4的试验方法要求，测得A型扣件疲劳前后的纵向阻力值见表12。

表12 A型扣件纵向阻力测试结果

如表12所示，扣件1疲劳试验前的纵向阻力为9.1 kN，疲劳试验后的纵向阻力为8.6 kN，疲劳试验后纵向阻力减小5.5%；扣件2疲劳试验前的纵向阻力为9.0 kN，疲劳试验后的纵向阻力为8.4 kN，疲劳试验后纵向阻力减小6.7%。

5 结语

1)本文所论述的扣件系统动静刚度采用4个位移传感器分布于扣件系统4个对角的新测法，提高了动静刚度测量的准确性，减少了测量系统误差，具备良好的实操性。2)扣件组装疲劳试验综合考虑了国标和欧标的要求，设计专用的试验仪器和工装夹具，测试力学原理均能满足标准要求，并增加疲劳过程中钢轨的动态变形的测量，这种新的方法组合能更加客观的反映出扣件产品的性能，达到检测的目的。3)弹条扣压力检测方法项目设计了专用的试验设备和工装夹具，可以调整扣件固定的位置，以保证受拉点位于扣件系统中心，加载过程由微机自动控制，使测量方法更合理，测量结果更可靠。4)扣件纵向阻力测量方法考虑了工装夹具间的间隙对测试结果的影响，可采用力控制和位移控制两种测试方法，操作简单数据可靠。

[1] EN 13146—2002，铁路应用—轨道—扣件系统的试验方法[S].

[2] BS EN ISO 3095—2001，铁路工程—声学—由轨道车辆发出的噪声测量[S].

[3] GB/T 21527—2008，轨道交通扣件系统弹性垫板[S].

[4] TB/T 2491—94，扣件组装疲劳试验方法[S].

[5] 铁道科学研究院.客运专线扣件系统暂行技术条件[Z].

[6] 许光辉，黄 浩，杨秀龙，等.减振扣件性能检测报告 2015(1月)[R].广州：广州计量检测技术研究院，2015.

[7] TB/T 2626—1995，铁路混凝土轨枕下用橡胶垫板试验方法[S].

Discussion on testing method of fastener products mechanical performance of urban rail transit

Xu Guanghui1,2Zhang Hanping2Huang Hao1Yang Xiulong1

(1.GuangzhouMeasurementTestTechnologyInstitute,Guangzhou510663,China;2.SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

From the fastener assembly fatigue test, buckle fastener pressure detection, fastener longitudinal resistance measurement and other aspects, this paper introduced the mechanical properties testing method of urban rail transit fasteners products, and tested the instruments and equipment production according to standard testing, verified the reliability of testing method.

track traffic, fastener, mechanical property, testing method

1009-6825(2016)13-0159-03

2016-02-22

许光辉(1979- )，男，工程师

U213.2

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